Les différents flux de matière étudiés déterminent les produits mis en jeu. Les liquides, pour lesquels on retiendra la charge traitée et les gaz, où il s’agira principalement de l’air humide, du fuel gaz et les fumées de combustion.
Pour ces flux de matière, il s’agira des équations relatives aux mélanges idéaux de corps purs, dont les données sont facilement accessibles à partir des relations de base ci-après.
Pour l’enthalpie spécifique : température, est calculée à l’aide du polynôme suivant :
T 2 III 1.6. Concepts et caractéristiques du simulateur HYSYS
HYSYS est un simulateur de conception orientée-objets. Tout changement spécifié sur un élément est répercuté dans tout le modèle. C'est un logiciel de simulation interactif intégrant la gestion d’événements. C’est-à-dire qu’à tout moment, un accès instantané à l’information est possible, de même que toute nouvelle information est traitée sur demande et que les calculs qui en découlent s’effectuent de manière automatique. Deuxièmement, il allie le concept d’opérations modulaires à celui de résolution non-séquentielle. Non seulement toute nouvelle information est traitée dès son arrivée mais elle est propagée tout au long du
Chapitre.III Simulation des Fours Tubulaires par le Simulateur HYSYS
20
. Figure.III.2 : Interface HYSYS et étapes de construction d’un modèle
III.2 Les Fours tubulaires
Dans la plupart des unités de raffinage ou de pétrochimie l'apport de l'énergie thermique requise par le procédé se fait par l'intermédiaire de fours à chauffage direct dans lesquels l'énergie produite par la combustion est transmise directement au fluide à réchauffer qui circule dans un serpentin tubulaire ou un faisceau de tubes. Cela justifie l'appellation four tubulaire généralement donnée à ce type d'appareil.
Les usages des fours tubulaires sont multiples mais chaque cas nécessite une étude particulière dans le but de concevoir le four le plus économique et le mieux adapté aux conditions imposées. On peut citer les exemples suivants : réchauffage d’un fluide sans changement de phase, réchauffage d’un fluide avec vaporisation partielle, réchauffage d’un fluide avec réaction chimique. [4]
III 2.1. Processus de transmission de chaleur
Un four tubulaire est conçu et calculé pour permettre de transférer au fluide une quantité de chaleur donnée par heure. Le four doit donc être avant tout agencé en vue de la combustion
d’une quantité suffisante de combustible. Il devra comporter les bruleurs nécessaires, ceux-ci devront pouvoir être alimentés en combustibles et en air. Dans la plupart des fours de raffinerie, l’admission de l’air de combustion dans le four est obtenue par la dépression qui règne à l’intérieur du four. Sous l'effet d'une pression à l'intérieur de l'enceinte de combustion (figure III.3); mesure de la dépression du four (convection naturelle) et réglage du tirage par registre. Cette dépression est elle-même due au tirage de la cheminée. [3]
Les températures obtenues dans les produits de la combustion sont toujours très élevées. Les produits de la combustion cèdent leur chaleur aux tubes par radiation et convection ; à travers les parois des tubes, le transfert se fait par conduction ; à l’intérieur des tubes, c’est la convection qui intervient de nouveau ; enfin, les pertes calorifiques à travers les murs du four se font par conduction. Le phénomène le plus important à prendre en considération est la radiation des produits de convection.
Figure.III.3. Brûleur à air induit sous l’effet de la pression du four
III 2.2 Construction et Types de fours [3]
L’enveloppe métallique du four doit être suffisamment renforcée pour résister aux actions du vent et supporter l’ensemble du faisceau tubulaire. Elle est constituée d’une ossature en charpente et de tôles boulonnées ou soudées sur cette charpente.
Le revêtement des parois intérieures du four est constitué soit d’un mur en briques réfractaires constituée d’argile réfractaire (silicate d’aluminium hydraté) ou terres de diatomées, soit d’une couche de béton réfractaire.
Les matériaux isolants sont généralement sous forme de plaques destinées à constituer des panneaux pour être placés derrière les briques ou béton.
Chapitre.III Simulation des Fours Tubulaires par le Simulateur HYSYS
22
Les faisceaux tubulaires sont généralement constitués de tubes droits, sans soudure, reliés entre eux par des coudes à 180° soudés sur les tubes et sur des liaisons spéciales, appelées boites de retour. Le choix de leur matériau dépend de la résistance à la corrosion par le fluide chauffé, à la résistance à l’oxydation par les fumées chaudes et à la résistance mécanique.
Il existe de nombreuses dispositions des tubes, dans les zones de radiation et de convection, et d’une zone par rapport à l’autre. Il en résulte de nombreux types de fours. On peut toutefois distinguer les différentes catégories suivantes
• Fours Cabines à tubes horizontaux
Dans ces fours (figure III.4), la forme générale de la zone de radiation est celle d’un parallélépipède, dont la plus grande longueur est horizontale. Les tubes sont placés horizontalement le long des parois latérales les plus longues. Les brûleurs sont situés sur la partie inférieure des murs latéraux les plus longs ou encore les murs d’extrémités ne recevant pas les tubes. [3]
• Fours Cylindriques Verticaux
La zone de radiation se présente sous la forme d’un cylindre à axe vertical. Les brûleurs sont placés sur la sole, à la base du cylindre. La surface d’échange couvre les parois verticales et présentes donc une symétrie circulaire par rapport au groupe de chauffage (figure III.5). [3]
III 2.3 Procédure de décokage du four.
Le procédé consiste à nettoyer les dépôts de coke et de sels à l’intérieure des tubes de four par admission de la vapeur et de l’air dans les tubes. Le décokage air-vapeur est composé de deux phases ; Phase de désagrégation et Phase de brûlage. [3]. [4]
III 2.4 Rendement Thermique du Four
Le rendement thermique des fours des installations pétrolières et gazières tient une place capitale dans les paramètres de choix des équipements. La notion du rendement d’un four apparaît par le fait que le débit de chaleur libérée aux brûleurs par la combustion n’est pas intégralement transmis au fluide procédé. La détermination du rendement de four est particulièrement importante car elle conditionne la consommation de combustible. [4]
Figure III.4 Four Cabine à tubes horizontaux. [3]
Chapitre.III Simulation des Fours Tubulaires par le Simulateur HYSYS
24
• Bilan thermique
Quel que soit le four, l'objectif est de fournir aux produits une quantité de chaleur utile Qu ou absorbée. Le bilan thermique s’écrit :
(III.5)
• Pertes thermiques :
Les Pertes par les parois du four (Qp) sont dues aux imperfections de l’isolation thermique par les matériaux réfractaires. Dans le cas de fours récents de grandes puissances, elles représentent 1 à 2 % de la chaleur libérée aux brûleurs (Q). Elles peuvent être beaucoup plus importantes dans le cas de fours anciens dont le réfractaire est défectueux. [6]
Les Pertes par les fumées (Qf) sont évacuées à l’atmosphère avec un débit de chaleur relativement important. Elles représentent entre 5 et 20 % de la chaleur libérée aux brûleurs (figure III.6).
Figure III.6. Pertes thermiques d’un Four tubulaire
Le rendement η d'un four est le rapport de l'énergie utile Qu à l'énergie Q qu'il faut fournir au four sous forme de combustible [6]
f P
u
Q Q
Q
Q − = +
Q
η = Qu
• Paramètres d‘amélioration du rendement thermique du four Pertes thermiques aux parois et aux fumées
- Les pertes thermiques aux parois peuvent être réduites par l’accroissement de l’isolation thermique. Cependant, leur niveau actuel étant faible (1 à 3 %), l’intérêt économique de cette solution est relativement limité.
- La réduction des pertes thermiques aux fumées permet l’économie de combustible utilisé pour réchauffer l’air en excès de la température ambiante à la température des fumées. Elle rencontre cependant comme limite, l’apparition d’imbrûlés dans les fumées auxquels correspondent une perte de chaleur de combustion, un encrassement de la zone de convection réduisant son efficacité, un risque de post - combustion des imbrûlés présentant un danger pour le personnel et le matériel. La réduction de l’excès d’air peut toutefois être obtenue, en utilisant des brûleurs réalisant un bon mélange de l’air et du combustible, en particulier par la turbulence imposée à l’air, de l’air préchauffé qui favorise la combustion, en fin si la température de rejet des fumées est basse, la recherche de la combustion à bas excès d’air présente un intérêt limité.
Abaissement de la température des fumées
L’abaissement de la température des fumées est un moyen efficace d’amélioration du rendement du four. Un abaissement de 20°C de température aux fumées correspond à un gain de rendement de l’ordre de 1 %. L’obtention de plus basses températures aux fumées peut être réalisée par l’extension de la surface de convection sur le fluide process. Cette solution rencontre comme limite de température de rejet celle d’entrée du fluide à réchauffer. La mise en place d’un service supplémentaire en zone de convection, par exemple, une génération de vapeur est préconisé.
Préchauffage de l’air de combustion
Cette solution présente l’avantage de disposer d’un fluide vraiment froid et utile au procédé de combustion mis en œuvre dans le four lui-même (figure III.7).
Figure III.7. Réchauffeur d’air de combustion d’un four cylindrique [3]
Chapitre.III Simulation des Fours Tubulaires par le Simulateur HYSYS
26
III.3 Simulation des Fours 202, 203 et 204 de l’unité
La simulation des fours tubulaires F202, 203 et 204 est effectuée au moyen du logiciel HYSYS, pour les données opératoires actuelles et celles du Design. Pour cette simulation, l’équation d'état de SRK Redlich Kwong,est utilisée, en supposant que le régime de fonctionnement du Procédé est stationnaire.
III 3.1 Données de calcul de simulation
Le calcul de simulation effectué suppose la connaissance de plusieurs données opératoires.
1.1 Composition de la charge et du fuel gaz
La composition chimique de la charge traitée, constituée du solvant lourd et léger, et celle du Fuel gaz (combustible) déterminée par analyse chromatographique est donnée au tableau III.1 et III.2 respectivement.
Tableau III.1 : Composition de la Charge Traité provenant de l’unité 100 [7]
C-nr Naphtènes Paraffines Aromatiques Total
3 0.00
Tableau III.2. Composition du fuel gaz [7]
Constituant
H2 CH4 C2H6 C3H8 i-C4H10 n-C4H10 i-C5H12 n-C5H12 C6H14
et plus
Total
% molaire 23.18 67.00 6.18 2.48 0.43 0.35 0.06 0.06 0.08 100.00 1.2. Combustion du fuel gaz
Pour le calcul, la combustion est supposée complète et les brûleurs assurent un mélange intime entre l’air comburant et le combustible. Les réactions de combustion des différents constituants du fuel gaz sont supposées stœchiométriques. Elles permettent de déterminer la
quantité d’oxygène, et donc d’air nécessaire à la combustion ainsi que la quantité des fumées formées lors de la combustion.
CnHm + (n + m / 4) O2 n CO2 + m/2 H2O Soit :
H2 + 1 / 2 O2 H2O CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3 H2O C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O C4H10 + 13 / 2 O2 4 CO2 + 5 H2O
C5H12 + 8 O2 5 CO2 + 6 H2O C6H14 + 19 / 2 O2 6 CO2 + 7 H2O
Chapitre.III Simulation des Fours Tubulaires par le Simulateur HYSYS
28 III 3.2 Résultats de simulation
Les résultats de simulation du procédé des différents fours étudiés après leur convergence sont présentés ci-après. Les figures III.8, III.9 et III.10 correspondent aux fours F202, 203 et 204.
Figure III.8. : Four F202 convergé par le HYSYS.
Tableau III.3.résultats obtenus par logiciel HYSYS pour le four F202 dans le cas actuel et design:
Figure III.9. Four F203 convergé par le HYSYS.
Tableau III.4.résultats obtenus par logiciel HYSYS pour le four F203 dans le cas actuel et design:
Paramètres Entré de la charge
Air Fuel gaz Sotie de la
charge
Fumées
Cas actuel
T (°c) 460 15 15 500 800
P (bar)
29.88
1.013 1.53 29.39 14.68
Q (Mj/h) 2.068 0.367 14.664 12.596 5.264
Cas design
T (°c) 482 15 15 537 671
P (bar) 31.61 1.03 1.82 30.27 16.64
Q (Mj/h) 1.6685 0.7333 13.0143 12.18005 3.50385
Chapitre.III Simulation des Fours Tubulaires par le Simulateur HYSYS
30
Figure III.10. Four F204 convergé par le HYSYS.
Tableau III.5.résultats obtenus par logiciel HYSYS pour le four F204 dans le cas actuel et design:
Paramètres Entré de la charge
Air Fuel gaz Sotie de la
charge
Fumées
Cas actuel
T (°c) 268 15 15 280 491
P (bar) 28.41 1.03 0.5754 28.01 14.68
Q (Mj/h) 1.092 0.2184 6.4896 5.772 2.1216
Cas design
²
T (°c) 260 15 15 271 300
P (bar) 21.64 1.013 0.57 19.64 16.64
Q (Mj/h) 0.9669 0.2051 6.153 6.2409 1.4064
Introduction
Ce chapitre est consacré à la présentation des résultats de calcul de simulation des fours tubulaires F202, 203 et 204. L’exploitation de ces résultats permet l’établissement des bilans énergétiques des différents systèmes étudies et l’évaluation de leur performance énergétique dans les conditions actuelles de fonctionnement.
IV.1. Calcul des flux de chaleur des Fours Tubulaires
A partir des tableaux de simulation des différents systèmes étudiés présentés en chapitre III, les tableaux suivants IV.1, IV.2 et IV.3 donnent les flux de chaleurs en (MJ/h) des différents courants de matière à l’entrée et à la sortie des fours tubulaires F202 , F203 et F204
Q total = Q charge entrée + Q fuel gaz + Q Air. (IV.1) Q utile = Q charge sortie - Q charge entrée (IV.2) Q parois = Q total – (Q utile + Q fumée) (IV.3)
Q perte totale = Q parois + Q fumée (IV.4)
Tableau IV.1 Flux de chaleur du Four 202
Fux de Chaleur (MJ/h) Cas actuel Cas design
Q utile 13.11 12.12
Q fumée 5.20 4.04
Q parois 2.26 1.15
Q perte totale 7.46 5.20
Q fuel gaz 18.09 15.15
Q total 20.57 17.32
Rendement thermique 72.5% 80%
CHAP.IV Résultats et Interprétation
32 Tableau IV.2. Flux de chaleur du Four 203
Flux de chaleur (MJ/h) Cas actuel Cas design
Q utile 10.52 10.51
Tableau IV.3. Flux de chaleur du Four 204
IV1.2Interprétation
Le rendement moyen des fours dans les conditions actuelles de l’ordre de 72% reste faible par rapport au rendement proposé pour le design du constructeur, de l’ordre de 81%.Les fours 202 et 203 consomment presque 85% de la chaleur totale fournie par le fuel gaz. Aussi, la consommation du fuel gaz est élevée par rapport à celle du Design, soit en moyenne 13 MJ/h contre 11.5 MJ/h. Cette différence de consommation du combustible est due à la faible température de la charge à l’entrée dans le cas actuel par rapport au Design.
Flux de Chaleur (MJ/h) Cas actuel Cas design
Rendement thermique 72.1% 85.7%
IV.2. Diagramme des pertes de chaleur des fours tubulaires
La répartition des pertes de chaleur des fours dans les cas Actuel et Design peuvent être représentées en figures IV.1, IV.2 et IV.3. La fraction de chaque nature de perte thermique est donnée par :
% pertes par les fumées = é
.
% pertes par les parois =
% absorbée =
Tableau IV.4. Répartition des Pertes de Chaleur (F202) : Répartition des pertes de
Chaleur
Cas actuel Cas design
% fumées 25.28 23.33
% Paroi 11 6.6
%Absorbé 63.73 70
Figure IV.1 diagramme
des pertes de chaleur pour F202
CHAP.IV Résultats et Interprétation
34
Tableau IV.5. Répartition des pertes de chaleur (F203) :
Pertes de chaleur Cas actuel Cas design
% fumées 30.8 23.79
% Paroi 7.63 4.75
%Absorbé 61.55 71.44
Figure IV.2 Diagramme Pertes de Chaleur F203
Tableau IV.6. Répartition des pertes de Chaleur (F204) :
Pertes de chaleur Cas actuel Cas design
% fumées 28.33 19.20
% Paroi 12.8 8.7
% Absorbé 60 72
Figure IV.3 Diagramme pertes de Chaleur F204
IV2.1Interprétation
La répartition des pertes de chaleur des fours tubulaires dans les conditions actuelles montrent que quel que soit le four étudié la perte par les fumées représente la part importante de ces pertes, soit en moyenne une perte de 28% contre 10.5% pour les pertes par les parois. Cette observation reste valable pour le cas du Design, a un degré moindre.
L'optimisation de la combustion se fait au niveau des brûleurs et plus particulièrement au niveau de la quantité d'air introduite pour la combustion du gaz. En effet, il faut savoir que plus l'excès d’air est important plus le rendement de combustion est faible et par conséquent plus la température des gaz d'évacuation et les pertes par ces gaz sont élevées. Pour que la combustion soit complète et optimisée, il faut choisir le plus petit excès d'air pour lequel la combustion est complète c'est-à-dire avec une teneur en monoxyde de carbone (CO) nulle.
Les données actuelles de combustion du gaz fuel dans le four font apparaitre plusieurs dysfonctionnements qui peuvent être notamment attribué :
- A l'absence d'analyse d'02 dans les gaz d'évacuation
- A l'Insuffisance d'instrumentation de mesure, d'analyse et de contrôle de régulation d'air et de combustible
- Au mode de fonctionnement des installations d’aspiration d'air de combustion et de gaz d'évacuation ne sont pas modulés en fonction de la puissance calorifique.
CHAP.IV Résultats et Interprétation
36
De plus, pour une meilleure intensification du processus de combustion et de transfert thermique dans la zone de radiation, il est recommandé d’augmenter le contrôle de la combustion avec une planification d'un réglage optimal des brûleurs actuels ou l'utilisation de nouveaux brûleurs à haute impulsion à bas NOX.
Aussi, le rétrécissement constaté de la partie amont des tubes de la zone de convection rend le passage des fumées difficile et non uniforme, par conséquent un transfert de chaleur faible dans cette zone, d’où la rénovation et la réparation de cette partie permet l’augmentation du transfert de chaleur et en conséquence la réduction des pertes de chaleur par les fumées.
D’autre part, la comparaison des pertes par les parois du cas actuel (10.5%) à ceux du design (6.5%) conduit à conclure que l’état du réfractaire des murs des fours reste en général satisfaisant.
Le pétrole brut a pris une place importante dans l'économie mondiale car ses produits forment
avec le gaz naturel plus de 60% des besoins énergétiques mondiaux.
Le raffinage du pétrole brut désigne l'ensemble des traitements et transformations visant à tirer du pétrole des produits énergétiques tels que les carburants et les combustibles, et des produits non énergétiques tels que les matières premières pétrochimiques, les lubrifiants, les bitumes et les paraffines qui ont une haute valeur commerciale. [6].
La transformation du pétrole brut nécessite des procédés physiques ou chimiques que l'on peut classer en trois catégories, les procédés de séparation, les procédés de conversion et les procédés d'épuration. La plus parts des étapes de ces procèdes nécessitent un apport d’énergie calorifique très important. Dans la plupart des installations, l’apport de l’énergie thermique requis par le procédé, se fait par l’intermédiaire des fours à chauffage direct dans lesquelles, l’énergie produite par la combustion est transmise directement au fluide à réchauffer, qui circule dans le serpentin tubulaire ou dans un faisceau de tubes. [3].
Durant notre stage de fin d’études à l’unité de reforming catalytique (U200) de la raffinerie d’Alger, nous nous sommes intéressés à l’analyse énergétique des fours tubulaires F 202, 203 et 204.
L’objectif de notre travail est de modéliser le procédé de fonctionnement de ces fours par le logiciel HYSYS, d’établir leurs bilans énergétiques et d’en déduire leur performance énergétique dans les conditions actuelles.
La méthodologie de travail suivie est ;
- Maitrise du procédé de fonctionnement (stage dans l’unité)
- Mesures et relevés des données opératoires fiables de fonctionnement de ce procédé - Modélisation du procédé en utilisant le logiciel HYSYS
- Analyse énergétiques des Fours 202, 203 et 204 de l’unité 200 de la raffinerie d’Alger
Listes des figures
Chapitre. I Description de la raffinerie d’Alger
Figure I.1 Situation géographique de la raffinerie d’Alger………..3
Chapitre II. Procédé de fonctionnement et Paramètres opératoires de l’Unité Reforming Catalytique (U 200) Figure II.1. L’unité de platforming de la raffinerie d’Alger………..Erreur ! Signet non défini. Figure II.2. Schéma du circuit catalytique de l’unité de PlatformingErreur ! Signet non défini. Figure II.3. Débutaniseur C-202 (colonne de stabilisation) ... Erreur ! Signet non défini. Figure II.4. Schéma du circuit de génération de vapeur ... 14
Chapitre.III Simulation des Fours Tubulaires par le Simulateur HYSYS Figure III-1 : Structure générale du Logiciel Figure III.6. Pertes thermiques d’un Four tubulaire……….Erreur ! Signet non défini. Figure III.7. Réchauffeur d’air de combustion d’un four cylindrique...………26
Figure III.8. : Four F202 convergé par le HYSYS. ……...………28
Figure III.9. Four F203 convergé par le HYSYS………29
Figure III.10. Four F204 convergé par le HYSYS………..30
Chapitre. IV résultats et interprétations Figure IV.1 Figure IV.3 Diagramme pertes de Chaleur F204……….…….……..….33
Figure IV.2 Figure IV.3 Diagramme pertes de Chaleur F204…………..………..……….34 Figure IV.3 Figure IV.3 Diagramme pertes de Chaleur F204……….35
Nomenclature
le naphta :est un liquide transparent ,issu de la distillation de pétrole . le fuel-oil :résidu de la distillation du pétrole .
CFP : Compagnie Française des Pétroles
l’Unité topping :c’est l’unité de distillation atmosphérique.
GPL : le gaz de pétrole liquéfié.
plat-format :
l’indice d’octane :mesure la capacité de l’essence à résister aux cognements durant la combustion.
débutaniseurs :colonne pour séparer le butane du reste des hydrocarbures . PTE :(Plomb Tétra-Ethyle)
Chapitre. I Description de la raffinerie d’Alger
Figure I.1 Situation géographique de la raffinerie d’Alger………..……..3
Chapitre II. Procédé de fonctionnement et Paramètres opératoires de l’Unité
Chapitre II. Procédé de fonctionnement et Paramètres opératoires de l’Unité